時(shí)延君　周禹軒　高浩　李婭婷　朱軍

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有安防偵察機(jī)器人在穩(wěn)定成像與大范圍敏捷跟蹤等方面的不足，提出了一種基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤技術(shù)雙模式的安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)。通過總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件與軟件設(shè)計(jì)、加工與裝配、集成與測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了安防偵察機(jī)器人無線驅(qū)動(dòng)行走、姿態(tài)擾動(dòng)隔離、動(dòng)態(tài)慣性穩(wěn)定成像、靜態(tài)長時(shí)伺服監(jiān)視、大范圍快速目標(biāo)捕捉等主要功能目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明：該機(jī)器人既可在危險(xiǎn)場合靜態(tài)監(jiān)視，又可在逼近目標(biāo)過程中動(dòng)態(tài)獲取高清晰圖像。

關(guān)鍵詞：安防防護(hù)；偵察機(jī)器人；慣性穩(wěn)定成像；快速目標(biāo)跟蹤；無線控制

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0001-04

Abstract： In view of the deficiency of the existing scout robot in stable imaging and large scale agile tracking， a novel scout robot system is proposed， which combines both of the inertial stability technology and the wireless remote control to achieve the dual purpose of improving the image quality and target capture efficiency. By conducting overall scheme design， structure optimization， hardware and software design in control system， machining， assembly， integration， testing and experiment， etc.， the scout robot system was eventually realized， which has five typical main functions， such as wireless-drive walking， attitude disturbance isolation， dynamic inertial-stability imaging， static long-time servo monitoring and large-range fast target capture. The experimental results show that the robot can not only statically monitor object in dangerous situations， but also dynamically obtain high-resolution images in a movable process of approaching the target.

Keywords： security protection； scout robot； inertial-stability imaging； fast target tracking； wireless control

引言

近年來，一些嚴(yán)重危害公共安全和人員生命安全的危急突發(fā)事件時(shí)常發(fā)生，比如恐怖分子在人員稠密的公共場所安放爆炸物、危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致有害氣體泄漏，以及在一些核電廠發(fā)生事故產(chǎn)生核輻射，等等[1-3]。這些突發(fā)事件和事故對(duì)人民人身安全和社會(huì)公共安全產(chǎn)生嚴(yán)重危害和威脅，迫切需要對(duì)事故情況進(jìn)行安全偵查、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和排除[4-6]。安防偵察機(jī)器人能代替救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和反饋，從而避免人員損傷和降低財(cái)產(chǎn)損失。因此，安防偵察機(jī)器人對(duì)于危機(jī)防爆、安全維穩(wěn)、公共安全和人民的健康生活均具有重要現(xiàn)實(shí)意義[7-9]。

然而，現(xiàn)有的一些安防偵察機(jī)器人存在明顯不足。比如，一些安防偵察機(jī)器人只有攝像功能，卻沒有防抖功能。在此情況下，如果承載偵察機(jī)器人攝像裝置的小車在野外進(jìn)行動(dòng)態(tài)拍攝時(shí)，傳輸回來的圖像質(zhì)量將模糊不清，影響后方人員對(duì)危險(xiǎn)現(xiàn)場信息的準(zhǔn)確判斷；另外，一些偵察機(jī)器人的攝像系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)功能，如果目標(biāo)不在前進(jìn)方向的監(jiān)視范圍內(nèi)，搜索目標(biāo)只能靠操控機(jī)器人小車大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到，非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在危機(jī)事故發(fā)生時(shí)可能會(huì)貽誤救災(zāi)或排爆的寶貴時(shí)機(jī)。

針對(duì)上述不足，本文提出一種基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)。通過將慣性穩(wěn)定技術(shù)、無線操控及視頻反饋校正等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)提高監(jiān)視圖像質(zhì)量和目標(biāo)快速捕捉的雙重目的。

1 安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有安防機(jī)器人不足，本文提出基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機(jī)器人總體設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方案。安防偵察機(jī)器人具備無線驅(qū)動(dòng)行走、姿態(tài)擾動(dòng)隔離、動(dòng)態(tài)慣性穩(wěn)定成像、靜態(tài)長時(shí)伺服監(jiān)視、大范圍快速目標(biāo)捕捉等主要功能。根據(jù)主要功能，將主要組成部分劃分為高清晰CCD數(shù)碼照相機(jī)、無線圖像傳輸系統(tǒng)、APP無線智能驅(qū)動(dòng)小車、Z向升降式三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)、自主穩(wěn)定伺服與無線遙控跟蹤雙模式控制系統(tǒng)主要模塊。

圖1為防偵察機(jī)器人系統(tǒng)總體方案示意圖。安防偵察機(jī)器人工作過程可以描述為：首先需要將相機(jī)置于輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)上，利用慣性穩(wěn)定平臺(tái)的框架穩(wěn)定功能使得該攝像機(jī)在野外地面不平及危險(xiǎn)環(huán)境下能夠始終保持穩(wěn)定成像。同時(shí)，能夠通過框架轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)的大范圍跟蹤搜尋。此外，為了使得人與安防偵察小車之間有一定的安全距離，穩(wěn)定平臺(tái)的控制電路與平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控界面采用無線傳輸實(shí)現(xiàn)。最后，將輕小型穩(wěn)定平臺(tái)安裝于小車上，利用手機(jī)APP的無線傳輸控制小車運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高清監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)的總體功能。

2 安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1 輕小型三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為輕小型三軸慣性穩(wěn)定平臺(tái)三維CAD模型。慣性穩(wěn)定平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)慣性穩(wěn)定與快速目標(biāo)跟蹤模式的基礎(chǔ)與關(guān)鍵部件。三自由度輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)，具有伺服穩(wěn)定和無線遙控兩種工作模式，主要組成部分包括三軸框架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、角位置測(cè)量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)五大部分。三軸框架系統(tǒng)的基座通過減振器與小車相連，隔離小車線振動(dòng)；方位框架由基座支承，實(shí)現(xiàn)±130°回轉(zhuǎn)；橫滾框架由方位框架支承，實(shí)現(xiàn)±30°內(nèi)回轉(zhuǎn)；俯仰框架由橫滾框架支承，實(shí)現(xiàn)-90°至+30°回轉(zhuǎn)。

2.1.1 穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)用于承載相機(jī)并在危險(xiǎn)場所路面不平條件下，控制系統(tǒng)根據(jù)慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)提供的框架角位置與角速率信息，產(chǎn)生指令，通過驅(qū)動(dòng)框架反向旋轉(zhuǎn)對(duì)姿態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償[10]。

由于危險(xiǎn)物可能突然移動(dòng)，導(dǎo)致監(jiān)視器失去目標(biāo)，這就需要穩(wěn)定平臺(tái)具有對(duì)目標(biāo)危險(xiǎn)物的快速跟蹤功能。設(shè)計(jì)的輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)利用其三個(gè)框架的自由小角度轉(zhuǎn)動(dòng)補(bǔ)償姿態(tài)擾動(dòng)、實(shí)現(xiàn)相機(jī)拍攝的穩(wěn)定，利用三個(gè)框架的各自獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)相機(jī)拍攝的大范圍跟蹤控制。

2.1.2 穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）伺服穩(wěn)定方案設(shè)計(jì)

伺服穩(wěn)定設(shè)計(jì)方案為；穩(wěn)定平臺(tái)采用三環(huán)復(fù)合PID控制，通過位置姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)（POS）采集平臺(tái)橫滾框，俯仰框和方位框的姿態(tài)角，同時(shí)分別解算出三個(gè)框架的加速度以及速率，以此構(gòu)成三環(huán)控制[11-12]，當(dāng)整個(gè)電路系統(tǒng)一上電時(shí)，在慣性傳感器（陀螺和加速度計(jì)）的測(cè)量機(jī)結(jié)算下，穩(wěn)定平臺(tái)三個(gè)框架同時(shí)達(dá)到水平穩(wěn)定，當(dāng)受到外界干擾時(shí)，平臺(tái)能夠克服外界的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)框架自主穩(wěn)定，從而使得相機(jī)成像穩(wěn)定，保證圖像的清晰度。

（2）手動(dòng)跟蹤方案設(shè)計(jì)

安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)搜尋危險(xiǎn)物過程中除了要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定成像以外，還要實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)程遙控跟蹤功能，即在監(jiān)視器的視野范圍內(nèi)若沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)危險(xiǎn)物，則能夠通過上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)框架的轉(zhuǎn)動(dòng)快速追蹤危險(xiǎn)物。這一部分的內(nèi)容則主要通過上位機(jī)監(jiān)控界面，同時(shí)還包括安防偵察小車來完成。具體實(shí)現(xiàn)過程為，首先通過相機(jī)監(jiān)控界面觀察圖像中是否存在目標(biāo)危險(xiǎn)物，若存在則鎖定危險(xiǎn)物進(jìn)行后續(xù)處理，若不存在則通過平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面輸入角度指揮平臺(tái)三個(gè)框架轉(zhuǎn)動(dòng)直至相機(jī)視野中出現(xiàn)目標(biāo)危險(xiǎn)物，這時(shí)候再過手機(jī)APP操縱小車先轉(zhuǎn)向至目標(biāo)危險(xiǎn)物方向，然后向前移動(dòng)至合適的距離，從而完成這一階段的任務(wù)，進(jìn)入后續(xù)處理。

2.2 快速跟蹤遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安防偵察機(jī)器人的無線傳輸主要包括平臺(tái)電路與上位機(jī)監(jiān)控界面之間的無線傳輸，以及手機(jī)APP與安防偵察小車之間的無線控制，還有平臺(tái)相機(jī)以及對(duì)應(yīng)的相機(jī)監(jiān)控界面之間的圖像傳輸。

首先，平臺(tái)電路與上位機(jī)監(jiān)控界面之間的無線傳輸采用目前市面上比較成熟的無線模塊。其次，手機(jī)APP與安防偵察小車之間的無線控制同樣也采用無線傳輸?shù)姆绞?，通過小車內(nèi)部的藍(lán)牙模塊與特定的手機(jī)APP匹配，然后可以通過該APP上的鍵盤功能自己設(shè)置快捷鍵，從而可以在手機(jī)APP上實(shí)時(shí)操作小車的自由移動(dòng)，包括前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向，停止等功能。最后，平臺(tái)相機(jī)以及對(duì)應(yīng)的相機(jī)監(jiān)控界面之間的圖像傳輸也采用無線傳輸方式，這部分的傳輸主要是基于相關(guān)的調(diào)研，最后選定一款可以和本系統(tǒng)所使用的相機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通訊的取景控制器，該控制器通過USB串口與相機(jī)進(jìn)行連接，最后通過它自身發(fā)出的WiFi信號(hào)與相機(jī)監(jiān)控界面之間實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)傳輸及儲(chǔ)存。

手機(jī)APP與安防偵察小車之間的無線藍(lán)牙控制同樣也采用無線傳輸?shù)姆绞?，圖3為小車內(nèi)部藍(lán)牙模塊。

相機(jī)以及對(duì)應(yīng)的相機(jī)監(jiān)控界面之間的圖像傳輸也采用無線傳輸?shù)姆绞?，因此我們采用一款可以和相機(jī)實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)娜【翱刂破?。圖4為安裝了取景控制器的平臺(tái)相機(jī)及小車。

2.3 安防偵察小車的無線移動(dòng)控制

只有安防偵察小車的自由移動(dòng)控制，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)目標(biāo)的圖像采集及在線監(jiān)測(cè)。因此，需要利用無線通信，遠(yuǎn)程操縱遙控機(jī)器人偵察小車遠(yuǎn)距離向危險(xiǎn)現(xiàn)場靠近。偵察小車的控制采用手機(jī)APP無線控制，基于無線通信加入藍(lán)牙功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)安防偵察小車的無線移動(dòng)控制。

2.3.1 系統(tǒng)的安防偵察小車的定制加工及無線藍(lán)牙模塊的添加

基于輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，與小車的設(shè)計(jì)廠家進(jìn)行交流，在安防偵察小車上面設(shè)計(jì)二層臺(tái)的安裝孔的大小及位置，用于穩(wěn)定平臺(tái)Z向高度可調(diào)節(jié)安裝。同時(shí)，在安防偵察小車加工完成以后，完成平臺(tái)以及二層臺(tái)的安裝，同時(shí)打開小車內(nèi)部電路，在主控板上加入藍(lán)牙模塊。圖5為二層臺(tái)及平臺(tái)支架安裝在小車上的實(shí)物圖。

2.3.2 系統(tǒng)的控制電路板的安裝

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)集成了多個(gè)功能，按照預(yù)先設(shè)計(jì)時(shí)在二層臺(tái)下面留出來的電路盒的位置，將調(diào)試過程中的電路板集成到安裝盒里面之后，將電路盒放在二層臺(tái)底部，最后將平臺(tái)安裝好，將三個(gè)電機(jī)的輸入輸出線分別接到電路板的驅(qū)動(dòng)板上，從而完成控制電路板與系統(tǒng)的連接。

2.3.3 系統(tǒng)的安防偵察小車手機(jī)控制軟件測(cè)試及練習(xí)

系統(tǒng)的安防偵察小車控制軟件界面如下圖6所示。

3 安防偵察小車加工、調(diào)試與集成實(shí)驗(yàn)

3.1 慣性穩(wěn)定平臺(tái)加工與裝配

基于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)圖，通過機(jī)械加工廠對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加工與裝配，并選型購置了減震器、力矩電機(jī)、光電碼盤等元器件。圖7是慣性穩(wěn)定平臺(tái)組裝完成后的整體實(shí)物圖。

3.2 偵察小車

安防偵察機(jī)器人需要具備移動(dòng)功能，以實(shí)現(xiàn)靠近或者原理目標(biāo)危險(xiǎn)物的功能。針對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們定制了偵察小車。小車具備移動(dòng)的功能和轉(zhuǎn)向功能。該小車最大能夠承載50kg的重量，最大的移動(dòng)速度能夠達(dá)到6m/s，手機(jī)藍(lán)牙控制其移動(dòng)距離可以達(dá)到10m。圖8為安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)定制的無線安防偵察小車的實(shí)物圖。

3.3 偵察機(jī)器人集成實(shí)驗(yàn)

圖9為基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機(jī)器人實(shí)物照片。將安防偵察機(jī)器人組成完成，之后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試機(jī)器人能否成功定位靜止目標(biāo)物以及在目標(biāo)物移動(dòng)狀態(tài)下是否能完成追蹤功能。

圖10為輕小型平臺(tái)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖。通過對(duì)設(shè)計(jì)的安防偵察機(jī)器人執(zhí)行觀測(cè)任務(wù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)器人的各方面性能：

首先，該安防偵察機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)的自主穩(wěn)定及跟蹤功能，它能夠針對(duì)復(fù)雜的危險(xiǎn)環(huán)境，自主保持輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)的框架穩(wěn)定；當(dāng)圖像視野內(nèi)不存在目標(biāo)物時(shí)，平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍跟蹤從而將目標(biāo)危險(xiǎn)物置于監(jiān)視器中心，完成目標(biāo)跟蹤監(jiān)測(cè)。

其次，該安防偵察機(jī)器人可以完成無線傳輸功能，能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)電路與上位機(jī)監(jiān)控界面之間的圖像無線傳輸，通過輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)電路與平臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控界面的無線連接實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)框架的穩(wěn)定及手動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)功能。

第三，該安防偵察機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)安防偵察小車的無線控制。該系統(tǒng)中的安防偵察小車的控制采用手機(jī)APP無線控制，利用手機(jī)完成對(duì)安防偵察小車的無線移動(dòng)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)承載輕小型慣性穩(wěn)定平臺(tái)的安防偵察小車的無線控制。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于慣性穩(wěn)定實(shí)時(shí)偵察/監(jiān)視與大范圍快速目標(biāo)跟蹤雙模式的安防偵察機(jī)器人，將慣性穩(wěn)定技術(shù)與無線控制技術(shù)相結(jié)合，克服了現(xiàn)有偵察機(jī)器人的不足，實(shí)現(xiàn)了提高監(jiān)視圖像質(zhì)量和目標(biāo)捕捉效率的雙重目的。該機(jī)器人既可在危險(xiǎn)場合靜態(tài)監(jiān)視，又可在逼近目標(biāo)過程中動(dòng)態(tài)獲取高清晰圖像，主要功能包括：（1）無線驅(qū)動(dòng)行走功能；（2）姿態(tài)擾動(dòng)隔離功能；（3）動(dòng)態(tài)慣性穩(wěn)定成像；（4）靜態(tài)長時(shí)伺服監(jiān)視功能；（5）大范圍目標(biāo)快速捕捉功能。當(dāng)目標(biāo)位置突然發(fā)生變化，后方人員發(fā)給穩(wěn)定平臺(tái)無線控制指令，穩(wěn)定平臺(tái)從伺服控制切入快速跟蹤控制模式，后方人員通過監(jiān)視器大范圍無線控制追蹤目標(biāo)，獲取目標(biāo)后馬上恢復(fù)穩(wěn)定監(jiān)視模式。

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